Матеріалознавство
.pdf61
карбіди, що розташовуються на межах зерен аустеніту та стримують ріст зерен. З аналогічної причини сталі, розкислені алюмінієм, є спадково дрібнозернистими (нітриди та оксиди алюмінію – бар’єри на шляху міграції меж зерен), на відміну від спадково крупнозернистих сталей, розкислених лише феросиліцієм або феромарганцем.
У залежності від умов нагрівання та складу сталі одержують зерно аустеніту різного розміру, що значною мірою впливає на властивості продуктів його перетворення. Продукти перетворення дрібнозернистого аустеніту мають більш високу міцність, пластичність, твердість, в’язкість у порівнянні з продуктами перетворення крупнозернистого аустеніту.
Сталі, що мають грубу крупнозернисту структуру, отриману внаслідок високотемпературного нагрівання, називають перегрітими. Перегрівання, коли зерна виростають до граничного розміру, виправляється повторною аустенітизацією із нагріванням до більш низьких температур. Перепалення – це значне перегрівання, що супроводжується окисленням меж зерен великого розміру і відноситься до невиправного браку.
6.1.2 Перетворення аустеніту при різних ступенях переохолодження
Якщо сталь від температури аустенітизації охолоджувати до температури нижче 727° С (А1), аустеніт буде знаходитись в метастабільному стані, що викличе його перетворення, механізм і кінетика якого зумовлені ступенем переохолодження.
Вплив ступеня переохолодження на стійкість переохолодженого аустеніту та швидкість його перетворення зображається графічно у вигляді діаграми ізотермічного перетворення (рис. 6.1).
62
Рисунок 6.1 – Діаграма ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту сталі У8
Перетворення аустеніту в інтервалі 727...550° С для сталі У8 називається перлитним; 550...240° С - бейнітним (проміжним); 240...мінус 50° С - мартенситним.
Перлитне перетворення А0,8%С→П(Ф0,02%С+Ц6,67%С) відбувається за дифузійним механізмом, внаслідок чого утворюються пластинчасті
структури перлитного типу, дисперсність яких оцінюється середньою сумарною товщиною суміжних пластинок фериту та цементиту l і залежить від ступеня переохолодження. Так, наприклад, якщо перетворення проходить при температурі вище 650° С, то утворюється груба суміш кристалів фериту та цементиту ( l= (5...7)10-7 м), що називають перлитом.
Перетворення при 640...590° С дає більш тонку структуру - сорбіт ( l=(3...4)10-7 м), а в інтервалі - 580...550° С - найбільш дисперсну ферито- цементитну суміш - троостит ( l = (1...2)10-7 м). Дисперсність продуктів перетворення зумовлює їх твердість (і міцність): у перлиту НRС 10...20, сорбіту - 20...30, трооститу - 30...40.
63
Уведення в сталь легувальних елементів змінює стійкість переохолодженого аустеніту та швидкість перетворення в перлитній і проміжній областях внаслідок гальмування дифузійних процесів. Всі легувальні елементи, крім кобальту, підвищують стійкість аустеніту та зменшують швидкість його перетворення; криві початку та кінця перетворення пересуваються праворуч, збільшується час інкубаційного періоду. Елементи карбідоутворювачі, крім того, змінюють і форму С- кривих (рис. 6.2).
Мартенситне перетворення проходить при безперервному охолодженні в інтервалі температур Мп-Мк (початок і кінець перетворення). Ізотермічна витримка в цьому температурному інтервалі приводить до стабілізації аустеніту, тобто перетворення в цьому випадку не завершується і в структурі спостерігається залишковий аустеніт. Аустеніт зберігається в структурі сталей, що містять 0,5 %С і більше, якщо охолодження ведуть лише до кімнатної температури, тому що збільшення концентрації вуглецю приводить до пониження Мк нижче 0°С (рис. 6.3). Більшість легувальних елементів (крім кобальту, алюмінію, кремнію) зменшують температури початку Мп та кінця Мк мартенситного перетворення і сприяють збільшенню кількості залишкового аустеніту.
а – криві початку перетворення аустеніту для сталей У8 та 70С2; б – діаграма перетворення для сталі 40Х2Н2М
Рисунок 6.2 – Схеми діаграм ізотермічного перетворення аустеніту у вуглецевих і легованих сталях
64
Рисунок 6.3 – Вплив вмісту вуглецю на температури Мп та Мк у вуглецевих сталях
Мартенситне γ→α перетворення здійснюється за бездифузійним механізмом, коли атоми переміщуються на відстань меншу, ніж міжатомна. Кристали мартенситу когерентно пов’язані з кристалами первинного аустеніту, а їх взаємна орієнтація відповідає співвідношенню: (110)М//(111)А; [111]М//[110]А. У зв’язку з бездифузійним характером перетворення (А0,8%С→М0,8%С) весь вуглець залишається у пересиченому твердому розчині і деформує при цьому кристалічну ОЦК гратку фериту, внаслідок чого мартенсит має тетрагональну об’ємноцентровану гратку (рис. 6.4).
Рисунок 6.4 – Тетрагональна гратка мартенситу (с/а – ступінь тетрагональності)
Таким чином, мартенсит - нерівноважна фаза - пересичений твердий розчин втілення атомів вуглецю в α-Fe. Чим більше вуглецю в мартенситі, тим вище ступінь тетрагональності, і відповідно вища
65
твердість сталі при меншій пластичності (при вмісті в сталі 0,6... 0,8%С твердість мартенситу НRС 64 і більше).
Для визначення швидкості охолодження, що забезпечує одержання необхідної структури, на практиці використовують експериментально побудовані термокінетичні діаграми перетворення переохолодженого аустеніту при безперервному охолодженні (рис. 6.5). Ці діаграми дозволяють визначити критичну швидкість охолодження Vкр - мінімальну швидкість, при якій аустеніт перетворюється в мартенсит без розпаду на ферито-цементитну суміш. При охолодженні із швидкістю меншою, ніж Vкр, утворюються структури перлитного типу, що видно на прикладі сталі У8 (табл. 6.1).
Критична швидкість охолодження - важлива технологічна характеристика, що залежить від хімічного складу сталі та температури аустенізації. Легувальні елементи (за винятком кобальту) підвищують стійкість переохолодженого аустеніту, зміщують праворуч лінії ізотермічної та термокінетичної діаграм, внаслідок чого зменшується Vкр. При наявності карбідів, нітридів і інших фаз в сталях, до складу яких входять легувальні елементи, збільшується Vкр. Критична швидкість дещо зменшується із збільшенням гомогенності аустеніту та розміру його зерен.
66
Рисунок 6.5 – Схема термокінетичної діаграми перетворення аустеніту сталі У8
Бейнітне (проміжне) перетворення проходить в інтервалі температур між перлитним і мартенситним перетвореннями аустеніту. Бейніт є двофазною сумішшю фериту та цементиту, в якій ферит дещо
67
пересичений вуглецем. Головна особливість перетворення - поліморфний перехід γ→α відбувається за мартенситним механізмом. У сталі У8 бейніт утворюється при ізотермічній витримці, в легованих сталях - і при безперервному охолодженні.
Таблиця 6.1 – Структура і твердість сталі У8 у залежності від швидкості охолодження із аустенітної області
°С/с |
Охолоджувальне |
Структура |
НRС |
|
середовище |
|
|
0,5 |
з піччю |
перлит |
10...20 |
5,0 |
повітря |
сорбіт |
20...30 |
50 |
олія |
троостит |
30...40 |
100,0 |
гаряча вода |
троостомартенсит |
50...55 |
200,0 |
холодна солона |
мартенсит із залишковим |
60...65 |
|
вода |
аустенітом |
|
6.1.3 Технологічні особливості гартування сталі
Вибір оптимальних температур нагрівання при гартуванні вуглецевих і малолегованих сталей ґрунтується на діаграмі Fe-Fe3C (рис. 6.6). Критичні точки (температури фазових перетворень) при термообробці сталі позначають так:
А1 - відповідає лінії PSK (727° С), тобто евтектоїдному перетворенню А→П;
А3 - відповідає лінії (GS) поліморфного перетворення А(γ)→Ф(α); Аcm - температури початку утворення (при охолодженні) або
розчинення (при нагріванні) цементиту вторинного в аустеніті (лінія SE).
Рисунок 6.6 – Оптимальні температури нагрівання вуглецевих сталей при гартуванні
68
Внаслідок гістерезису процесів розчинення та утворення цементиту, γ→α перетворення, критичні температури не збігаються при нагріванні та охолодженні, тому їх позначають додатковими індексами: с
-при нагріванні (chofage) та r - при охолодженні (rechofage).
Убільшості випадків при гартуванні бажано одержати структури з максимальною твердістю, тобто мартенсит, наступне відпускання якого дозволяє знизити твердість і поліпшити ударну в’язкість, пластичність сталі, отримати необхідні структуру та властивості.
Розрізняють повне та неповне гартування. Повне гартування сталі здійснюють охолодженням з однофазної зони (після нагрівання
вище температур Ас3 та Асcm); неповне – із зони міжкритичних температур (Ас1...Ас3, Ас1...Асcm).
Оптимальна температура нагрівання для повного гартування доевтектоїдних сталей складає:
tнагр = Ас3 + (30...50)°С.
Така температура забезпечує утворення дрібнозернистого аустеніту при нагріванні, що в свою чергу, сприяє утворенню при охолодженні зі швидкістю V>Vкр дрібнокристалічного мартенситу. При неповному гартуванні доевтектоїдних сталей (Ас1<tнагр<Ас3) у структурі зберігається ферит, що зменшує їх твердість.
Евтектоїдну та заевтектоїдні сталі піддають неповному гартуванню, оптимальна температура нагрівання складає:
tнагр = Ас1 + (30...50) °С,
після чого їх структура складається з мартенситу, цементиту та залишкового аустеніту.
Кристали вторинного цементиту (ЦІІ) підвищують зносостійкість інструментальних сталей тому, що мають більшу твердість, ніж мартенсит.
Після повного гартування (tнагр>Асcm) твердість заевтектоїдних сталей менше внаслідок розчинення ЦІІ, росту зерен аустеніту і утворення грубих кристалів мартенситу, а також збільшення кількості залишкового аустеніту. При високих температурах нагрівання можливе зневуглецювання поверхні деталі, а при швидкому охолодженні - виникнення жолоблення та гартувальних тріщин, що призводять до руйнування виробів.
Легувальні елементи впливають на температури фазових перетворень. Так, наприклад, феритостабілізатори (хром, вольфрам,
69
молібден, ванадій, кремній, алюміній тощо) зсувають точки А3 та А1 уверх по температурній осі, і, таким чином, підвищують температуру нагрівання для гартування; аустенітостабілізатори, навпаки, переміщують їх вниз (нікель, азот, мідь, марганець), зменшують тим самим температури гартування.
Тривалість нагрівання визначається необхідністю забезпечення наскрізного нагрівання деталі та завершення фазових перетворень, але вона не повинна бути надто довгою, щоб не спровокувати ріст зерен аустеніту та зневуглецювання поверхневого шару.
Загальна тривалість нагрівання у випадку гартування визначається
як:
τзаг = τн + τі,
де τн – час наскрізного прогрівання, що залежить від форми, розміру деталей, їх розміщення, типу печі, хімічного складу сталі;
τі - час ізотермічної витримки для завершення фазових перетворень.
Всі легувальні елементи зменшують теплопровідність сталі, тому леговані сталі необхідно нагрівати більш повільно для запобігання утворення значних термічних напружень. Час ізотермічної витримки легованих сталей приблизно в 2...2,5 рази більший порівнянно з вуглецевими у зв’язку з тим, що, по-перше, легувальні елементи (крім кобальту) гальмують перетворення П→А, а, по-друге, необхідно мати додатковий час для вирівнювання концентрації в аустеніті не лише вуглецю, але й легувальних елементів.
Вибір середовища для охолодження зумовлено необхідністю одержати структуру мартенситу в заданому перерізі деталі, не викликаючи при цьому виникнення дефектів (тріщин, жолоблення, деформації, високих залишкових напружень в поверхневих шарах). При гартуванні вуглецевих сталей найчастіше застосовують воду або водні розчини солей, кислот і лугів.
Легувальні елементи знижують Vкр, тому в легованих сталях мартенситна структура може утворюватися при повільнішому охолодженні в олії, на повітрі, що зменшує можливість появи дефектів.
6.1.4 Загартовуваність і прогартовуваність сталей
Загартовуваність - здатність сталі підвищувати твердість при гартуванні. Загартовуваність залежить, головним чином, від вмісту вуглецю в сталі і визначається чисельним значенням твердості.
70
Прогартовуваність - здатність сталі гартуватися на певну глибину. Прогартовуваність вимірюється відстанню (мм) від поверхні до напівмартенситноі (50 % мартенситу і 50% трооститу) або мартенситної зони, розташування якої визначають послідовним вимірюванням твердості.
Усі фактори, що збільшують стійкість переохолодженого аустеніту та зменшують Vкр, покращують прогартовуваність (рис. 6.7).
Рисунок 6.7 – Залежність прогартовуваності від критичної швидкості охолодження для
вуглецевої (1) та легованих сталей (2, 3)
Кількісна характеристика прогартовуваності - критичний діаметр Дкр циліндричного прутка, що наскрізь прогартовується у даному охолоджувачі. Для забезпечення наскрізного прогартовування деталі необхідно, щоб Дд≤Дкр, де Дд – дійсний діаметр виробу.
Найменш трудомістким методом визначення прогартовуваності вважається метод торцевого гартування (ГОСТ 5657-69), що дозволяє на одному зразку (d=25мм та l=100мм) без його перерізання визначити прогартовуваність сталі у будь-якому охолоджувачі.
6.2Завдання на підготовку до лабораторної роботи
6.2.1Описати основні положення перетворень в сталі при нагріванні та охолодженні.